Разработка и анализ эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С, страница 7

Данный вакуумметр построен на базечувствительного элемента Granville Phillips и имеет нелинейный аналоговыйвыходной сигнал, от 0,375 до 5,659 В для диапазона давлений соответственно от0 до 1000 Торр.Конвекционный вакуумметр SuperBee CVM201GBAОбработка показаний данных приборов не представляет сложности,поскольку производитель прилагает таблицы перевода для разных рабочих сред(Таблица 3).Сопоставление показаний вакуумметра в вольтах со значением абсолютногодавления при измерении в различных средах конвекционным вакуумметромSuperBeeДавление, ПаДавление, ТоррНапряжение, ВСоответственно для рабочей средыN2CO20,133330,0010,3840,3850,266660,0020,3920,3950,666650,0050,4170,41255Таблица 3 (продолжение).Давление, ПаДавление, ТоррНапряжение, ВСоответственно для рабочей средыN2CO21,33330,010,4550,4622,66660,020,5230,5366,66650,050,6820,70513,3330,10,8760,926,6660,21,1551,17966,6650,51,6831,668133,3312,2172,172266,6622,8422,695666,6553,6753,3161333,3104,2063,672666,6204,5773,9036666,5504,8464,071133331004,9454,154266662005,0194,336399993005,1114,502533324005,2244,621666655005,3294,708799986005,4194,775933317005,4954,83101330,87605,5344,861066648005,5584,8771199979005,6144,91913333010005,6594,955В результате проведенных экспериментов, было выявлено, чтоосновными факторами влияющими на процесс охлаждения при вакуумнойоткачке паров диоксида углерода, являются начальная масса и скорость откачкипаров вакуумным насосом.Определениепроизводительностивакуумногонасосанауровнетемператур насыщения производилось двумя способами: непосредственнымвзвешиванием в процессе вакуумной откачки оставшейся массы рабочеговещества и с помощью измерения расхода паров на выходе из вакуумного насосапри атмосферном давлении.

При этом механические весы находились вгерморезервуаре,показаниясциферблатаснималисьспомощьювидорегистратора, после чего показания весов наносились на шкалу времени.56Циферблат весов расположенных в герморезервуаре,наблюдаемый с помощью видеорегистратораТакой способ отличается простотой используемого оборудования ипозволил устранить грубые промахи в измерениях, убедиться в правильностиработы ротаметра.На (Рисунке 3.17) показан электронный ротаметр Bronkhorst MassWievмодели MV-106, позволяющий измерять массовый расход удаляемогохладагента при атмосферном давлении.Электронный ротаметр модели Mass FlowИсследуемый процесс охлаждения массы CO2 при вакуумной откачке нестационарен и протекает относительно быстро.

Данное условие накладывает57основное требование на измерение физических величин в ходе эксперимента –это синхронная автоматическая регистрация и запись показаний приборов повремени.Для непрерывной синхронной регистрации параметров вторичныеизмерители-регуляторы ТРМ-138 были объединены в сеть и подключены ккомпьютеру с помощью преобразователя интерфейсов Овен АС-4. На Рисунке3.18 представлена общая схема объединения всех первичных, вторичныхпреобразователей и подключение их к ПК.Структурная схема сбора и регистрации показаний всехзадействованных для измерения устройств1-измерители-регуляторы ТРМ-138; 2-первичные преобразователитемпературы (термопара типа К, термометры сопротивления Pt-100); 3вакууметры широкодиапазонные с выходным сигналом 0-10 В; 4-ротаметрэлектронный с выходным сигналом 0-10 В; 5-преобразователь интерфейсовдля связи с ПК; 6-персональный компьютер для приема и регистрациипоказаний.Для подключения преобразователей с выходом 0-10 В к универсальномуизмерителю ТРМ-138, имеющему аналоговые входы 0-1 В, были изготовленыделители напряжения с соотношением 1:10.

Схема представлена на Рисунке 3.19.58Схема принципиальная делителя напряжения для снятияпоказаний с датчиков с аналоговым выходным сигналом 0-10 В (слева) иреализация на печатной плате (справа)3.9 Получение экспериментальных данныхКак уже отмечалось ранее все первичные преобразователи и измерителиобъединены в общую сеть, имеющую связь с персональным компьютером. Дляполученияирегистрациизначенийизмеряемыхфизическихвеличиниспользовалось программное обеспечение от производителя измерителейрегуляторов фирмы «Овен» - SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER(OPM).С помощью OPM было разработано описание экспериментального стенда(Рисунок 3.20).Описание экспериментального стенда в SCADA системе OWENPROCESS MANAGER (OPM)59Подключение первичных и вторичных преобразователей к входамконтрольно-измерительных приборов в системе OPM изображено на Рисунке3.21.Распределение датчиков и преобразователейДля доступа к данным в комплект программного обеспечения входитподсистема для просмотра и конвертации измеренных параметров в виде таблицOwen Report Viewer (ORV).

Внешний вид ORV при выводе записанных значенийпредставлено на Рисунке 3.22.Интерфейс подпрограммы Owen Report ViewerПеречень регистрируемых параметров приведен в Таблице 4.60Перечень регистрируемых в ходе экспериментов параметров с условнымобозначением в системе OPM№ п п ПараметрУсловное обозначение всистеме OPMОдноступенчатый вариант исполнения стенда1.Температура массы CO2Точка №1.1: Масса CO22.Массовый расход удаляемого параТочка №1.2: Расход CO23.Давление в герморезервуареТочка №1.3: Давление вгерморезервуаре4.Температура охлаждаемого объекта Точка №2.1: Объект5.Полная мощность вакуумногоТочка №2.2: МощностьнасосаПосле регистрации данных система OPM создает файл формата Excel,приведенный в Таблице 5.Фрагмент таблицы, формируемой системой OPMDateTime30.12.201530.12.201530.12.201530.12.201530.12.201530.12.201530.12.2015EventСохранениезначенияСохранениезначенияСохранениезначенияСохранениезначенияСохранениезначенияСохранениезначенияСохранениезначенияReferenceDescriptionValue16Ссылка № 2.119,00607876Точка № 1.354,67873761Точка № 1.1-77,45824416Ссылка № 1.218,845348315Точка № 1.212,31653513Ссылка № 2.11,164956926Точка № 1.354,4998054Value1-77,45613.9.5 Определение действительной производительности вакуумногонасосаВ качестве средства вакуумной откачки для экспериментальнойустановки выбран механический вакуумный насос объемного принципадействияпластинчато-роторноготипасмаслянымуплотнением.Накоэффициент подачи λ данного типа насосов влияют: перетечки пара междурабочими камерами, образованными расточкой корпуса, ротором и пластинами,дросселирование на всасывании, подогрев пара в рабочей полости, испарениемасла, перенос пара из защемленного объема.Перспективнымпредставляетсяиспользованиесухихвакуумныхнасосов, пластинчато-роторных, спиральных, винтовых.Для определения производительности системы важна действительнаяпроизводительность вакуумного насоса при температуре насыщенных паров.Параметры в ключевых точках изображены на схеме (Рисунок 3.23).Параметры для расчета скорости откачки в различных сеченияхвакуумной коммуникацииT”, P” – температура и давление насыщения вблизи сублимирующей массырабочего вещества, Tнас, P” – температура и давление на входе в насос,TОС, PОС – температура и давление на входе в ротаметр62Для определения реальной производительности средств вакуумнойоткачки производились эксперименты с регистрацией:− расхода откачиваемых паров на выходе из вакуумного насоса притемпературе окружающей среды и атмосферном давлении (TОС, PОС;)− массы рабочего вещества по весам, установленным в герморезервуаре;− температуры массы для определения скорости откачки по выражениютеплового баланса (2.14).Полученные значения были приведены к расходу при температуренасыщения, результаты сравнения для насоса F100 отображены на Рисунке 3.24.abcГрафик действительной производительности вакуумного насосав зависимости от температуры диоксида углеродаУчасток a-b обозначим как «начальный», который из рассмотренияисключается, так как на данном участке происходит откачка воздуха послезагрузки установки.

Участок b-c обозначим как «рабочий».По полученным в ходе эксперимента данным можно построитьинтерполяционноеуравнение,отражающеедействительную63производительностьсредствавакуумнойоткачкинауровнедавлениясоответствующему температуре насыщенных паров, уносимых при сублимациимассы твердого рабочего вещества.д = 0,0438 − 3,83 ∙ 10−6 ∙ 2 2 + 1,42 ∙ 10−8 ∙ 2 3 [м3 /с](3.3)Как видно из графиков, различия в величине расхода, вычисленногоразличными способами, не превышает 10%, что позволяет судить одостоверности результатов измерений.3.10 Оценка погрешностей измеренийДля измерения температуры массы были выбраны термометрысопротивления платиновые типа Pt100 с температурным коэффициентомαt=0,00391 °C-1.

Данные термометры имеют номинальную статическуюхарактеристику в диапазоне температур от -200 °C до 0 °C согласно выражению(3.4). [56] = 0 ∙ (1 + 3,9690 ∙ 10−3 ∙ − 5,841 ∙ 10−7 ∙ 2 − 4,33 ∙ ( − 100°C) ∙ 3 )(3.4)Согласно паспорту термометра сопротивления допуск соответствуетклассу B. Абсолютную погрешность измерения в измеряемом диапазоне можноопределить по выражению (3.5). [32]∆иерм = (0,3 + 0,005 ∙ ||) ℃(3.5)где t – измеренное значение температуры в градусах ЦельсияИзмерительный преобразователь Овен ТРМ138 имеет класс точности0,25.

Инструментальную погрешность датчика температуры и измерительногопреобразователя находим суммированием показателей их погрешностей. (3.6)(3.6)∆и = (0,25 + 0,3 + 0,005 ∙ ||) ℃Случайную погрешность (3.9) определяем используя распределениеСтьюдента. Рассчитываем математическое ожидание (3.7), средне квадратичноеотклонение (3.8), определяем абсолютную погрешность (3.10) и выражениеабсолютной погрешности в процентах (3.11).1� = � =1(3.7)64∑=1( − �)2 � = �( − 1)(3.8)∆ � = , ∙ �(3.9)где , – коэффициент Стьюдента, зависящий от доверительной вероятностии числа измерений2∆ = �∆2� + ( ∆иТ )23 =(3.10)∆ ∙ 100%�(3.11)Таким образом, можно получить график температуры с учетомпогрешности измерительной системы датчик-преобразователь (Рисунок 3.25).График изменения температуры CO2 с обозначениемдоверительного интервала (эксперимент с начальной массой CO2 2,5 кг)Как видно из Рисунка 3.25, средняя относительная погрешностьизмерительнойсистемы,состоящейизтермометрасопротивленияиизмерительного преобразователя составляет 1,4%.Измерение расхода пара производилось на выхлопе системы вакуумнойоткачки в атмосферу с помощью электронного ротаметра Bronkhorst MassViewMV106.65График объемного расхода, измеренного на выхлопе насосаЗначение относительной ошибки расходомера получены из паспортныхданных.